太阳能 - Nexus Dynamics International

太阳能

一段关于太阳能的动画简述, 包括太阳能的收集, 利用和储存

太阳能循环的互动图示: 阳光照射太阳能板产生直流电, 逆变器将其转换为交流电供家庭使用, 白天多余的电力为电池组充电, 夜间电池放电为住宅供电. 切换白天/夜晚可查看电流方向的变化.

切换白天和夜晚模式, 即可看到水流方向反转.

拨动上面的开关即可在白天和夜晚之间切换 — 你会看到面板的光芒逐渐消失, 电池线上的电流方向反转, 并且随着从充电切换到放电, 电量水平下降.

以下是这六个阶段之间的联系:

1.
阳光→面板 — 光子撞击光伏电池, 使电子脱离, 产生直流电.

2.
太阳能电池板→逆变器 — 这些原始直流电会传输到逆变器, 逆变器是该系统的转换器.

3.
逆变器 → 交流电 — 逆变器将直流电转换为交流电 (AC), 这是您家中的插座和电器实际使用的电流形式.

4.
使用情况 — 交流电直接输送到房屋供立即使用 — 灯光, 电器等一切实时运行.

5.
储能 — 房屋中未使用的电量会被输送到电池组, 充电以备后用.

6.
夜间放电 — 太阳落山后, 太阳能电池板停止工作, 电池反转方向, 通过逆变器将电力输送回房屋, 以维持房屋运转直到日出.

逆变器示意图: 稳定的直流电进入开关电桥, 两组对角开关交替导通, 产生锯齿状方波, 再经过滤波平滑成正弦波交流电.

稳定的直流输入
电池或太阳能电池板提供恒定电压 — 电流只沿一个方向流动, 就像河流没有电流反转一样.

开关桥
逆变器内部有四个电子开关 (通常是晶体管 — IGBT 或 MOSFET), 它们排列成所谓的 H 桥, 它们以两对对角线的方式连接, 每次只有一对开关闭合.

反转电流方向
当第一对触点闭合时, 电流沿一个方向流过输出端. 片刻之后, 该对触点断开, 另一对对角触点闭合 — 迫使电流沿相反方向流过输出端. 这种交替发生频率为每秒 50 或 60 次 (与您所在电网的频率相匹配, 根据国家/地区的不同, 频率为 50 Hz 或 60 Hz).

断断续续的方波
如此快速地改变方向会产生锯齿状, 块状的波形 — 从技术上讲已经是交流电了, 但不是你的电器所期望的平滑波形.

平滑处理
原始方波会经过一个滤波器 — 通常是电感器和电容器 — 该滤波器会磨平尖锐的边缘, 并将其调整为输出到插座的纯净正弦波. 高端“纯正弦波”逆变器会进行更多次开关操作 (一种称为脉冲宽度调制的技术), 以便在滤波前更接近完美的正弦波; 而价格较低的“修正正弦波”逆变器则省略了一些精细化处理, 这对于大多数电器来说没有问题, 但可能会导致一些敏感电子设备出现故障.

太阳能电池剖面图: 阳光照射N型和P型硅层, 在PN结处击出一个电子. 该电子向上经过前电极, 流经外部电路为设备供电, 再经背面电极返回, 完成电流回路.

这就是薄晶圆内部实际发生的情况:

掺杂硅的两种方式
太阳能电池由经过刻意“掺杂”微量杂质的硅制成. 顶层 (n型) 掺杂了一种比硅多一个电子的元素, 使其拥有过剩的自由电子. 底层 (p型) 掺杂了一种比硅少一个电子的元素, 从而留下“空穴” — 电子可以占据的空隙.

结处会产生一个内置电场.
在这两层材料的交汇处 — 即p-n结 — n型区域的电子会自然地漂移过去, 填补p型区域附近的空穴. 这种迁移会在结处形成一个从n型指向p型的微小永久电场. 这个电场是整个效应的驱动力.

A photon does the knocking
When a photon from sunlight has enough energy, it slams into a silicon atom near the junction and knocks an electron completely free, leaving a hole behind. Left alone, that electron would just fall back into a hole and release its energy as heat. But it doesn't get the chance.

电场将它们分开.
结的电场会抓住自由电子并将其推向n区, 而空穴则被推向p区. 这种分离就会产生电压 — 就像电池中电荷分离一样.

电路完成了剩下的工作.
电子无法逆着电场穿过结区返回, 所以它只能绕远路: 先穿过n层, 进入正面的金属触点网格, 再通过导线流出, 经过它所供电的设备, 回到背面的金属触点, 最后进入p层 — 与空穴复合, 完成电路. 这股稳定的电子流绕远路, 乘以每秒数十亿个光子, 就形成了太阳能电池板产生的电流.

单个太阳能电池板这样只能产生几分之一伏的电压, 所以实际使用的太阳能电池板需要将多个电池串联起来, 才能达到可用的电压, 然后直流电才能输送到逆变器.

交流电离开逆变器后, 会流经您家的主配电盘 — 也就是电网供电使用的同一个断路器盒 — 然后系统会按照优先级顺序进行分配:

1.
您的家用电器享有优先供电权. 您家目前正在使用的任何电器 — 照明, 冰箱, 空调等等 — 都将直接由太阳能发电供电. 整个过程即时自动完成, 没有任何延迟或切换.

2.
剩余电力会为电池充电. 如果您的太阳能电池板产生的电力超过房屋当时的用电量 (通常在中午前后), 多余的电力就会输送到电池组, 直到电池充满为止.

3.
超出电池容量的电力将输送至电网. 电池充满电且房屋用电量满足后, 剩余电力将输送至公共电网. 根据您所在的电力公司和国家/地区, 这部分电力可能获得电费抵扣 (净计量), 以批发价出售, 或者在某些情况下根本不予补偿 — 建议您查看具体电力公司的政策.

4.
当太阳能发电不足时, 电网会介入. 在阴天, 或者用电需求超过太阳能电池板发电量时 (例如, 空调和烤箱同时启动), 缺口将从电网获取 — 或者如果您有电池并且电池已充电, 则会首先从电池中获取, 然后再从电网获取.

位于公用设施连接点的智能电表会追踪所有这些数据 — 包括您的用电量 (从电网导入多少) 和用电量 (从电网导出多少) — 而这正是您的电费账单 (或抵扣额) 的计算依据.

需要注意的是: 在大多数现代系统中, "给电池充电"和"向电网导出"之间的优先级顺序实际上是可以配置的. 有些人会将系统设置为优先给电池充电以确保备用电源安全; 而另一些人则会在电力公司支付高额电费时优先向电网导出电能.

太阳能电池组充放电互动图: 锂离子在正极和负极之间穿过电解质移动, 充电时由充电器驱动, 放电时释放电能为负载供电. 切换充电和放电查看离子和电子流动方向的变化.

以下是电池组内部发生的情况:

两个电极,一个液体中间体
锂电池的一侧有阴极 (通常是锂金属氧化物), 另一侧有阳极 (通常是石墨), 中间由电解质隔开. 电解质是锂离子可以游过的液体或凝胶, 但电子不能.

充电过程推动离子逆势而上
当太阳能 (或电网) 为电池充电时, 外部充电器会将电子推入阳极. 这种电势推动锂离子从阴极剥离, 并使其穿过电解液, 最终嵌入阳极的石墨结构中 — 这个过程称为嵌入. 这是一个能量“逆势而上”的过程, 因此需要外部电源才能完成.

放电使它们能够返回到能量较低的阴极.
一旦你断开充电器并连接负载 (例如夜间的家用电器), 离子就会返回到能量较低的阴极. 当它们在电解液中迁移时, 会迫使电子绕道外部电路以平衡电荷. 这股流经逆变器并进入你家的电子流, 就是你实际使用的电力.

为什么电池不会立即自放电?
电解液和一层薄薄的隔膜阻止了电子直接穿过电池中心 — 它们只能通过外部导线传输. 正是这一点, 使得“想要移动的离子”能够转化为“实际可用的电能”, 而不是电池内部发生短路.

充电循环和衰减
每次完整的充放电循环都会对电极结构造成微小的磨损, 这就是为什么电池的额定寿命是以循环次数 (优质太阳能储能电池通常为 3,000-6,000 次以上) 而不是固定的日历寿命来衡量的 — 上面的切换开关本质上是在模拟其中一个循环的微缩过程.

太阳能循环的互动图示：阳光照射太阳能板产生直流电，逆变器将其转换为交流电供家庭使用，白天多余的电力为电池组充电，夜间电池放电为住宅供电。切换白天/夜晚可查看电流方向的变化。

逆变器示意图：稳定的直流电进入开关电桥，两组对角开关交替导通，产生锯齿状方波，再经过滤波平滑成正弦波交流电。

太阳能电池剖面图：阳光照射N型和P型硅层，在PN结处击出一个电子。该电子向上经过前电极，流经外部电路为设备供电，再经背面电极返回，完成电流回路。

太阳能电池组充放电互动图：锂离子在正极和负极之间穿过电解质移动，充电时由充电器驱动，放电时释放电能为负载供电。切换充电和放电查看离子和电子流动方向的变化。